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传输线的基础知识
传输线是射频电路和高速电路中一个非常重要的概念。本文的主要内容精简概括为四点:
1.概念
传输线由任意两条有一定长度的导线组成。其中一条标记为信号路径,另一条标记为返回路径。这里重点要关注返回路径。
①返回路径的属性部分,不一定是GND。
②完整性问题,之前有过相关的视频,如果返回路径不完整,会怎么样?耳听为虚,眼见为实:
视频中,以返回路径平面完整vs 不完整的情况做了S参数提取,比较回波损耗和插入损耗。希望小伙伴有一个直观的印象。
③参考平面的转换,只要认清一点:电流如水,返回路径肯定走低阻抗路径。有转换,记得打缝合孔(Stitching Via)
2.特性阻抗
01
阻抗
具有电阻、电感和电容的电路,对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗又称为交流(AC)电阻,它适用于所有的电路元件,而不仅仅适用于电阻器。
02
输入阻抗
一个电路输入端的等效阻抗,称之为输入阻抗。输入阻抗没有固定的值,从传输线前端看进去的输入阻抗随时间而变化,随着端接、线长和测量时间(往返时间)的不同,输入阻抗可以为任意值。
输入阻抗与特性阻抗的关系:
03
瞬时阻抗
信号每一步感受到的阻抗称为瞬时阻抗。举例来说,信号在传输线中,信号所受到的瞬时阻抗仅由传输线的两个固有参数--传输线的横截面和材料特性共同决定,与传输线的长度无关。
04
特性阻抗
特性阻抗的数值上与均匀传输线的瞬时阻抗相等,它是传输线的固有属性,且仅与材料特性、介电常数和单位长度电容有关,而与传输长度无关。
对于均匀传输线,其特性阻抗为:
特性阻抗值的选择,并不是唯一的,一般采用50,是因为衰减可以降到最低。
05
电阻
说到电阻,一般是针对直流的情况。在直流电中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻。电阻是电阻器这类理想元件的固有品质因子。
06
电抗
在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外,电容及电感也会阻碍电流的流动,这种作用就称之为电抗。
电容的电抗称作电容抗,简称容抗。
电容的电抗称作电感抗,简称感抗。
频率越大,容抗越小;频率越大,感抗越大。
关于电阻、容抗和感抗相关的关系,搞懂下面的公式:
07
总结
虽然阻抗、输入阻抗、瞬时阻抗和特性阻抗听起来很相似,但它们之间有很大的区别,如果仅仅说“阻抗”,就很含糊,还是说得清楚明白一点。
3.时延
①信号的传输速度与电子速度区别
一条18号圆铜导线,直径为1mm,流过的电流为1A电子速度为1cm/s。导体中电子速度很慢,而在传输线上信号的传输速度,由于电子之间的相互作用、导线周围的材料、信号在传输线导体周围空间形成交变电场和磁场的建立速度等因素:
②信号的传输速度与信号速率区别
前段时间,有个小伙伴问我:是不是信号速率越高,时延就越小?
这个要分清的是:信号速率是芯片的自身能力。
如果非要扯上点关系,就是信号速率越高,对PCB 板材的要求越高,相对介电常数较低,信号的传输速度越大,相对应的情况时延会变小。
③还有一点需要提一下,传输线在实际PCB版图的应用中,分为微带线(Microchip)和带状线(Stripline),一般情况都会考虑带状线。带状线周围材料固定,一来阻抗易于管控,二来就是串扰和EMI 的问题,带状线的传输质量更稳定。
4.一阶模型
传输线的仿真模型,分清楚零阶和一阶。零阶模型描述为一系列相互有一定间距的电容器的集合。它仅仅是物理模型,并不是等效电气模型。一阶模型需要把信号和返回路径导线的每一小节描述成回路电感,就能进一步近似物理传输线。
如何才能准确表述传输线的一阶模型:
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